胡文平，周文，王磊，李曉軍

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基于聯(lián)合仿真的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越傳動(dòng)鏈扭振抑制研究

胡文平，周文，王磊，李曉軍

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈電網(wǎng)故障過(guò)程中可能存在的扭振問(wèn)題，采用彈簧阻尼質(zhì)量建模方法，建立了能夠反映柔性特性的傳動(dòng)鏈模型，得出了其自然振蕩頻率與阻尼系統(tǒng)解析表達(dá)式，揭示了柔性傳動(dòng)鏈的欠阻尼系統(tǒng)本質(zhì)。通過(guò)故障期間發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩特性分析，說(shuō)明了通過(guò)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩突變量與高頻脈動(dòng)控制減弱傳動(dòng)鏈機(jī)械扭振的不可行性。在此基礎(chǔ)上，提出了電網(wǎng)故障期間傳動(dòng)鏈的虛擬變阻尼控制策略，通過(guò)發(fā)電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩控制等效增大傳動(dòng)鏈阻尼，抑制了電網(wǎng)故障期間傳動(dòng)鏈的扭振。通過(guò)風(fēng)電機(jī)組Bladed+Matlab聯(lián)合仿真模型仿真分析，證明了理論分析與虛擬變阻尼扭振抑制策略的有效性。

電網(wǎng)故障；傳動(dòng)鏈扭振；虛擬變阻尼；扭振抑制；聯(lián)合仿真

0 引言

為保障大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行及自身安全，需建立精確的風(fēng)電機(jī)組機(jī)械-電氣暫態(tài)模型，研究風(fēng)電機(jī)組的機(jī)電耦合動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，特別是電網(wǎng)故障情況下風(fēng)電機(jī)組的機(jī)電動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。其中雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越一直以來(lái)是學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，大量風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越特性的文章得以發(fā)表[1-11]。文獻(xiàn)[1]建立了雙饋風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型，研究了電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程中雙饋機(jī)組的電磁暫態(tài)過(guò)程；文獻(xiàn)[2]基于雙饋風(fēng)電機(jī)組定轉(zhuǎn)子電壓方程，分別在嚴(yán)重和非嚴(yán)重跌落情況下，定性分析雙饋風(fēng)電機(jī)組定子電流動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。文獻(xiàn)[3]利用雙饋風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型，研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路的參數(shù)及保護(hù)動(dòng)作時(shí)間對(duì)機(jī)組暫態(tài)特性的影響。然而目前關(guān)于風(fēng)電機(jī)組故障穿越的研究大多采用傳動(dòng)鏈集中質(zhì)量塊模型，未考慮傳動(dòng)鏈的柔性特性對(duì)機(jī)組動(dòng)態(tài)性能的影響；另外，主要關(guān)注風(fēng)電機(jī)組故障穿越過(guò)程的暫態(tài)過(guò)電壓、瞬態(tài)過(guò)流和相應(yīng)的控制與保護(hù)問(wèn)題，以使其輸出電流、功率等符合并網(wǎng)導(dǎo)則的要求。

然而風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈?zhǔn)堑湫偷那纷枘嵯到y(tǒng)，電網(wǎng)電壓跌落情況下發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的突變，必將造成傳動(dòng)鏈兩端轉(zhuǎn)矩不平衡，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的扭振發(fā)生，對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈極為不利，可能損毀傳動(dòng)軸與齒輪箱，甚至對(duì)風(fēng)機(jī)塔架的安全產(chǎn)生威脅，關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定安全、載荷疲勞與使用壽命。針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈扭振抑制已有文獻(xiàn)進(jìn)行過(guò)研究[12-16]，文獻(xiàn)[12]建立了雙饋風(fēng)電機(jī)組柔性傳動(dòng)柔性模型，通過(guò)仿真與試驗(yàn)證明了電網(wǎng)故障的確會(huì)觸發(fā)傳動(dòng)鏈的扭矩振蕩，但未涉及扭振抑制策略研究；文獻(xiàn)[13]研究軸系關(guān)鍵參數(shù)對(duì)扭振的影響，從削弱故障及恢復(fù)時(shí)刻轉(zhuǎn)矩過(guò)沖和增加阻尼入手，提出了附加電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)軸阻尼虛擬配置方法，抑制了故障情況下的軸系扭振；文獻(xiàn)[14]提出了一種削弱定速機(jī)組故障期間扭振的方法，但是需要借助于輔助的STATCOM裝置。目前，缺乏電網(wǎng)故障情況下傳動(dòng)鏈機(jī)電耦合特性及扭振抑制的研究，電網(wǎng)故障期間風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈扭振及抑制研究的報(bào)道較少，未得到應(yīng)有的重視。

本文從傳動(dòng)鏈柔性建模入手，基于電網(wǎng)故障情況下傳動(dòng)鏈機(jī)電耦合及扭振特性分析，提出了電網(wǎng)故障期間傳動(dòng)鏈的虛擬變阻尼控制策略，通過(guò)發(fā)電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩控制等效增大傳動(dòng)鏈阻尼，抑制了電網(wǎng)故障期間傳動(dòng)鏈的扭振，并通過(guò)風(fēng)電機(jī)組Bladed+Matlab聯(lián)合仿真模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，為電網(wǎng)故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈扭振抑制提供了一條可行的途徑。

1 傳動(dòng)鏈柔性建模

雙饋風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)軸、齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)、雙饋?zhàn)兞髌鹘M成，如圖1所示。雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)背靠背變流器與電網(wǎng)相連。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可控制雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和并網(wǎng)功率因數(shù)，網(wǎng)側(cè)變流器則主要維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

雙饋風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈主要包括：風(fēng)輪、低速軸、齒輪箱、高速軸和發(fā)電機(jī)，傳動(dòng)鏈模型概括起來(lái)主要包括集中質(zhì)量塊、兩質(zhì)量塊、三質(zhì)量塊、六質(zhì)量塊和多質(zhì)量塊模型[12]。集中質(zhì)量塊模型完全忽略傳動(dòng)鏈的旋轉(zhuǎn)阻尼特性和剛度等柔性特性，無(wú)法反應(yīng)電網(wǎng)故障情況下的扭矩振動(dòng)情況。六質(zhì)量塊傳動(dòng)鏈模型能夠很好的反映傳動(dòng)鏈的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但其建模復(fù)雜、計(jì)算速度慢，難以應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模、分析與控制。而雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈可自然劃分為三個(gè)質(zhì)量塊(風(fēng)輪、齒輪箱和發(fā)電機(jī))和兩個(gè)柔性軸(高速軸和低速軸)，考慮到低速軸的剛性遠(yuǎn)大于高速軸，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可通過(guò)合并質(zhì)量塊將三質(zhì)量塊簡(jiǎn)化為兩質(zhì)量塊模型，等效計(jì)算可依據(jù)平行軸定理進(jìn)行。兩質(zhì)量塊傳動(dòng)鏈模型能夠較好地反映電網(wǎng)故障情況下傳動(dòng)鏈的扭矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[12]，為簡(jiǎn)化分析，考慮齒輪箱變比，不計(jì)傳動(dòng)鏈的能量損失，經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算與折算，將低速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到風(fēng)機(jī)側(cè)，高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到發(fā)電機(jī)側(cè)，可得包括齒輪箱低高速軸阻尼特性、剛性及其風(fēng)機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的兩質(zhì)量塊動(dòng)態(tài)模型如圖2所示，此時(shí)系統(tǒng)的可用方程式(1)加以描述。

圖2 傳動(dòng)鏈柔性?xún)少|(zhì)量塊模型

圖中：wt、g分別為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)等效慣量時(shí)間常數(shù)；wt、s、g分別為風(fēng)輪氣動(dòng)扭矩、傳動(dòng)軸扭矩和發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；wt、g分別為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)組扭轉(zhuǎn)角度；s、s分別為傳動(dòng)軸的阻尼和剛度系數(shù)；wt、g分別為風(fēng)輪自阻尼和發(fā)電機(jī)自阻尼，各物理量均折算到低速軸側(cè)并標(biāo)幺化，可得到軸系的狀態(tài)方程。

其中=wt-g為傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)角度。

由于wt、g通常很小，忽略這兩項(xiàng)的影響，可得兩質(zhì)量傳動(dòng)鏈的歐拉方程。

則傳動(dòng)鏈的自然振蕩頻率：

(3)

傳動(dòng)鏈的阻尼系數(shù)：

由式(3)和式(4)可知：傳動(dòng)鏈各質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、各質(zhì)量塊的自阻尼、傳動(dòng)軸的剛度和阻尼等關(guān)鍵參數(shù)直接影響傳動(dòng)鏈的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。本文所采用的傳動(dòng)鏈參數(shù)為wt=3.0 s，g=0.6 s，s=0.12，s=100。計(jì)算得到n=10 rad/s(n=1.59Hz)，=0.006，由于阻尼系數(shù)遠(yuǎn)小于1，系統(tǒng)為典型的欠阻尼系統(tǒng)。電網(wǎng)電壓故障情況下，由于發(fā)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩的突變，易激發(fā)傳動(dòng)鏈扭矩振蕩。

2 電網(wǎng)故障下傳動(dòng)鏈扭矩特性

電網(wǎng)故障情況下風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈扭振的主要激發(fā)源是發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此有必要充分認(rèn)識(shí)電網(wǎng)故障情況下發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩特性。目前較為流行的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越方案是轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電阻保護(hù)，該方案在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流超出一定閾值時(shí)Crowbar電阻投入，將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器短接，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器鎖閉，避免轉(zhuǎn)子側(cè)變流器出現(xiàn)過(guò)流損傷，發(fā)電機(jī)作為籠型異步電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)發(fā)電機(jī)扭矩由風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況決定。圖3所示是發(fā)生單相接地故障的發(fā)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩波形，可以看出電網(wǎng)電壓跌落情況下發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的頻率主要為50 Hz和100 Hz分量。

圖3 電網(wǎng)故障的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

為了研究發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩暫態(tài)響應(yīng)對(duì)扭矩振蕩的影響，需建立傳動(dòng)軸扭振特征量與扭振激勵(lì)源之間的函數(shù)關(guān)系，定義傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)角速度為傳動(dòng)鏈扭振的特征量，可得從扭振特征量到扭振激勵(lì)源g的傳遞函數(shù)：

對(duì)式(5)進(jìn)行頻域分析，可得其幅頻響應(yīng)的伯德圖如圖4所示，諧振峰對(duì)應(yīng)于軸系自然振蕩頻率為1.59Hz，從bode圖可以看出50Hz以上頻段的幅頻響應(yīng)幅值很小，相對(duì)大時(shí)間常數(shù)的機(jī)械扭振問(wèn)題對(duì)轉(zhuǎn)矩高頻脈動(dòng)的感受并不敏感，又由于故障引發(fā)的磁鏈直流分量衰減很快，電磁暫態(tài)響應(yīng)在一到兩個(gè)周波內(nèi)基本趨于穩(wěn)定，因此可以推斷故障發(fā)生和恢復(fù)短時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)矩暫態(tài)響應(yīng)以及故障期間轉(zhuǎn)矩的高頻脈動(dòng)對(duì)扭振影響較小。

圖4 傳動(dòng)鏈幅頻特性bode圖

Fig. 4 Bode chart for drive train system

由于故障期間電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)分量相比故障前會(huì)發(fā)生突變，導(dǎo)致傳動(dòng)鏈從一個(gè)穩(wěn)態(tài)向另一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡，過(guò)渡過(guò)程通常伴隨扭矩振蕩的發(fā)生。顯然，減小發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化幅度或增大傳動(dòng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)是減緩電網(wǎng)故障情況下傳動(dòng)鏈扭矩振蕩的可行方案。在電網(wǎng)電壓跌落情況下，若轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與crowbar電阻阻值及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率有關(guān)，由于crowbar電阻阻值范圍受轉(zhuǎn)子側(cè)變流器通流能力與直流側(cè)電壓等多重因素決定，其阻值調(diào)整范圍有限，因此crowbar電阻的阻值對(duì)電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程中發(fā)電機(jī)扭矩變化影響較??；而即使轉(zhuǎn)子側(cè)變流器正常運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組通常均采用無(wú)功優(yōu)先的控制策略，有功域度有限，減小發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩突變幅度以減小傳動(dòng)鏈扭矩振蕩基本不可行。相比而言，增大傳動(dòng)鏈阻尼是減小電網(wǎng)故障期間傳動(dòng)鏈扭矩振蕩的簡(jiǎn)單可行的方法。

3 傳動(dòng)鏈虛擬變阻尼控制

如前所述，調(diào)整傳動(dòng)鏈阻尼對(duì)于傳動(dòng)鏈扭矩振蕩的抑制具有積極的意義。對(duì)于新設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組，可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)傳動(dòng)鏈阻尼參數(shù)達(dá)到減小故障期間傳動(dòng)鏈扭矩振蕩的效果；而對(duì)于已運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組，則可通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制對(duì)傳動(dòng)鏈進(jìn)行虛擬變阻尼控制，抑制電網(wǎng)電壓故障情況下傳動(dòng)鏈的扭矩振蕩。傳動(dòng)鏈虛擬變阻尼控制的核心思想是通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)鏈阻尼系數(shù)可控變化，其是建立在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩可控且能夠快速響應(yīng)的基礎(chǔ)上，而相對(duì)與傳動(dòng)鏈機(jī)械扭振，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)幾乎無(wú)時(shí)滯。

假設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩g能夠按下式進(jìn)行控制。

式中：opt是控制風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)能捕獲的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩；為附加轉(zhuǎn)矩系數(shù)；是附加的轉(zhuǎn)矩項(xiàng)；則從到T的傳遞函數(shù)變?yōu)?/p>

(7)

由式(7)可以看出，在常規(guī)控制中電磁轉(zhuǎn)矩給定值的基礎(chǔ)上附加項(xiàng)，就可為傳動(dòng)鏈提供數(shù)值為v的額外阻尼。反之，如果需要提供額外的數(shù)值為v的虛擬阻尼，需要的附加轉(zhuǎn)矩：

如式(8)所示，附加轉(zhuǎn)矩項(xiàng)需借助于扭轉(zhuǎn)角速度來(lái)確定，而是一個(gè)很小的量，受限于測(cè)量精度無(wú)法準(zhǔn)確獲取，可以通過(guò)以下方法進(jìn)行間接獲取。

傳動(dòng)軸扭矩對(duì)于兩端的質(zhì)量塊來(lái)說(shuō)分別是動(dòng)力轉(zhuǎn)矩和阻力轉(zhuǎn)矩，兩個(gè)質(zhì)量塊的波動(dòng)分量具有反相性質(zhì)，且二者的波動(dòng)幅值成比例關(guān)系[16]，用、分別表示發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的扭振頻率波動(dòng)分量，則

傳動(dòng)鏈兩端的質(zhì)量塊轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)分量可認(rèn)為是近似相等的，因此可得的解析表達(dá)式

(10)

由于實(shí)際風(fēng)電機(jī)組通常以定子有功功率作為控制輸入，由于s=gs，則有

(12)

式中：s為同步轉(zhuǎn)速；為電網(wǎng)頻率；n為極對(duì)數(shù)。

為由于受機(jī)組容量限制，應(yīng)對(duì)附加轉(zhuǎn)矩進(jìn)行適當(dāng)限幅?；谝陨戏治?，傳動(dòng)軸阻尼虛擬配置的實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)軸虛擬阻尼控制框圖

另外，額外的附加阻尼將影響傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)效率，為不影響正常情況下風(fēng)電機(jī)組的正常發(fā)電，可以引入風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)基波正序電壓1作為判據(jù)，當(dāng)1＜0.9 p.u.時(shí)，虛擬阻尼投入運(yùn)行，而當(dāng)1≥0.9 p.u.時(shí)，虛擬阻尼退出運(yùn)行。

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證電網(wǎng)故障情況下風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈扭振特性及虛擬變阻尼扭振抑制策略的有效性與準(zhǔn)確性。搭建了能夠精確反映電網(wǎng)故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈機(jī)械特性和發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)特性的Bladed+Matlab聯(lián)合仿真系統(tǒng)，在GH Bladed中搭建了能夠反映風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈柔性特性及扭振的風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部分的仿真模型，在Matlab/Simulink中建立能夠反映雙饋?zhàn)兞髌?、發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)電氣部分的電磁暫態(tài)仿真模型，Bladed模型與Simulink模型之間使用Socket通訊形式進(jìn)行參數(shù)傳遞和時(shí)間同步。聯(lián)合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖 6 Bladed+Matlab聯(lián)合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

基于Bladed+Matlab聯(lián)合仿真模型，進(jìn)行電網(wǎng)故障情況下傳動(dòng)鏈機(jī)電耦合特性及扭振抑制的研究。為方便比較分析，首先雙饋發(fā)電機(jī)不采取虛擬阻尼控制，待整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在72s時(shí)模擬觸發(fā)電網(wǎng)單相短路故障，電壓跌落到20%額定電壓。風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈電網(wǎng)故障響應(yīng)特性如圖7所示，圖7(a)和圖7(b)分別為電網(wǎng)故障期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)，可以看出：電網(wǎng)故障激發(fā)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩和傳動(dòng)軸扭振，傳動(dòng)鏈自身阻尼使得扭振衰減，約20 s后扭矩趨于穩(wěn)定，扭振衰減速度較慢。

接著雙饋發(fā)電機(jī)采取虛擬阻尼控制，且虛擬阻尼值設(shè)定為傳動(dòng)鏈阻尼的2倍，重復(fù)未加阻尼控制時(shí)的電網(wǎng)故障工況，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈電網(wǎng)故障響應(yīng)特性如圖8所示，圖8(a)和圖8(b)分別為電網(wǎng)故障期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)，可以看出：采用虛擬阻尼控制后，電網(wǎng)故障雖激發(fā)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩和傳動(dòng)軸扭振，但由于傳動(dòng)鏈阻尼的增大，使得傳動(dòng)軸扭振衰減加快，約10s扭矩即趨于穩(wěn)定，扭振衰減速度顯著加快，傳動(dòng)鏈扭振得到有效抑制，仿真結(jié)果證明了理論分析與虛擬變阻尼扭振抑制策略的有效性。

圖7 未加虛擬阻尼時(shí)傳動(dòng)鏈電網(wǎng)故障仿真波形

圖8 施加虛擬阻尼時(shí)傳動(dòng)鏈電網(wǎng)故障特性

5 結(jié)論

(1) 考慮傳動(dòng)軸柔性特性的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈外特性表現(xiàn)為一個(gè)欠阻尼系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓故障期間，雙饋發(fā)電機(jī)電磁力矩的突變，將激發(fā)了傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速振蕩和扭振，可能對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸、齒輪箱等造成應(yīng)力與疲勞損傷。

(2) 傳動(dòng)鏈虛擬變阻尼控制通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)鏈阻尼的可控變化，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩可控且不超過(guò)附加轉(zhuǎn)矩控制限幅值時(shí)能發(fā)揮與自身阻尼近乎相同的作用。

(3) 傳動(dòng)鏈虛擬變阻尼控制可以加快衰減電網(wǎng)故障激起的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速與扭矩振蕩，有效抑制傳動(dòng)鏈扭振，利于電網(wǎng)故障后雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的快速穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈優(yōu)化設(shè)計(jì)及疲勞載荷具有重要的指導(dǎo)意義。

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(編輯 張愛(ài)琴)

Study on suppression strategy for wind turbine drive train torsional vibration under grid fault based on co-simulation

HU Wenping, ZHOU Wen, WANG Lei, LI Xiaojun

(Electric Power Research Institute, State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang 050021, China)

As the drive train torsional vibration may be stimulated by the huge change of electromagnetic torque caused by grid fault, the flexible drive train is modeled using spring-damping-mass modeling method firstly, the analytical expression of the natural oscillation frequency and damping coefficient are obtained, and the flexible drive train is typical under damped system is revealed. Then the ineffectiveness of the change of generator torque and high frequency torque pulse control is illuminated by analyzing characteristics of the generator electromagnetic torque during grid fault. On this basis, the torsional vibration suppression strategy of virtual variable damping is proposed, which is worked by implementing additional electromagnetic torque to increase in the drive train damping equivalently during the grid fault. The Bladed and Matlab co-simulation results strongly support the theoretical analysis and verify the proposed control strategy.

grid fault; drive train torsion vibrating; virtual variable damping;torsional vibration suppression; co-simulation

10.7667/PSPC152181

2015-12-16；

2016-06-28

胡文平(1968-)，男，博士 ，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)分析和計(jì)算工作等；E-mail: hwp8@163.com周 文(1978-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電能質(zhì)量研究工作等；E-mail: hbdyyzhw@163.com 王 磊(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事新能源檢測(cè)及電能質(zhì)量工作等。E-mail: wl_313100@126.com